一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统及其使用方法

一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统及其使用方法
【专利摘要】本发明提出了一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统及其使用方法，其中一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统包括光学接收受系统、双色交叉光路、光电转换单元、A/D模数变换单元、信息处理单元和自动控制系统，顶吹氧转炉的顶部在吹氧导管和废气收集导管之间的位置设置有测温窗口，自动控温系统位于测温窗口的正上方。本发明控温精度高，控温范围宽，能够在炼钢现场恶劣的环境下实现温度的自动控制，避免出现操作事故，值得推广。
【专利说明】一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统及其使用方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及转炉炼钢控温领域，具体是指一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统及其 使用方法。

【背景技术】
[0002] 由于现有顶吹氧转炉炼钢未能实现自动适时测温或者温度的自动控制，以至于存 在着不合理的繁杂冶炼程序，上述情况进而导致了原材料和能源的浪费。同时，顶吹氧转炉 炼钢是由转炉顶部通过管道向钢水液面吹氧，这一化学反应会释放出大量的热量。在吹氧 进行高温熔炼过程中，转炉内的温度高达ie〇〇°C，产生很多含有各种杂质的高温高压气体， 废气温度约为1000°C，压力约为1. 5?2个大气压，需要通过导管和过滤冷却水池，将其冷 却至400?后排出转炉外。
[0003] 要想实现炼钢过程中温度的自动控制，首先必须实现适时准确测量转炉内温度。 目前国内外普遍使用的红外测温仪，但它只能测出物体发出的辐射强度和它的温度之间的 关系，其使用原理是：根据黑体辐射的定律来设计的，先把实际物体看成黑体，测量其温度， 然后再按灰体进行辐射率的修正；理想黑体有最大的辐射率，定义其辐射率为1 ;实际存在 的物体，它的吸收率和辐射率都比理想黑体小，而且是一个随被测物体而变的复杂函数，所 以现有的红外测温仪都要进行辐射率的修正。
[0004] 现有理论中，理想黑体的物理模型可以用普朗克（Planck)公式来描述：
[0005] φ (λ，TJ<ec廢-D -1
[0006] 其中φ 4λ，为黑体辐射功率密度，单位为瓦?厘米2 ·微米' Ci = 3· 7415ul0_12瓦?厘米2为第一辐射常数，C2 = 1. 43879厘米· K为第二辐射常数，λ为光 谱辐射的波长，单位为微米，Τ为黑体温度，单位为Κ。
[0007] 在高温的情况下（λ Τ<3000μπι·κ)时，也常用维恩（Wien)公式来测温，维恩公 式如下：φ 魏，T> =C，5e··7
[0008] 其中各量的物理意义与普朗克（Planck)公式相同。实际物体发射的辐射功率与 温度为T的黑体发射的辐射功率相等，T就称为实际物体的亮温。实际物体发射的辐射光谱 功率分布与温度为T的黑体发射的辐射光谱功率分布相等，T就称为实际物体的色温。目 前红外测温伩都采用黑体校准，只能测出实际物体的亮温和色温，不能测出实际物体的真 矣温度。
[0009]因此，对被测物体辐射率的修正，是基于对一些金属在高温下的辐射率经验数据 确定的。由于辐射率是灰体材料、温度和波长的函数，很难得到精确值，这就限制了测温仪 的测温精度，辐射率随温度和材料成分变化是很大的，要想把各种物体的辐射率修正准确 是很困难的。所以目前红外测温仪测温的最大缺陷是辐射率修正不准，导致测温精度不高， 适时进行辐射率修正更是难以实现。目前红外测温仪的测温精度在丨％左右，不能适时修正 辐射率，使其在转炉炼钢测温中的应用受到限制。
[0010] 同时，一般情况下，通过鉴于钢水温度和吹氧温度等而设定的温度来管理转炉内 的温度。这种转炉内温度的测量是通过测量转炉内的钢水的加热温度来测量的。然而，由 于为顶吹氧转炉炼钢，测温过程中，由于高温环境和转炉顶部高度难以人工操作，且可能会 发生操作事故。


【发明内容】

[0011] 本发明提出一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统及其使用方法，解决了现有技术中 无法适时对钢水的温度进行精确测定和对钢水温度自动控制以及人工测温的安全隐患的 问题。
[0012] 本发明的技术方案是这样实现的：一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统，顶吹氧转 炉的顶部设置有吹氧导管和废气收集导管，吹氧导管连通顶吹氧转炉的内外部，位于钢水 液面的上方，废气收集导管通过废气冷却水池与废气排出口相通，自动控温系统依次包括 光学接受系统、双色交叉光路、光电转换单元、A/D模数变换单元、信息处理单元和自动控制 系统，顶吹氧转炉的顶部在吹氧导管和废气收集导管之间的位置设置有测温窗口，自动控 温系统位于测温窗口的正上方。
[0013] 优选地，光学接受系统具有高的距离口径的S/D比值；双色交叉光路包括两种探 测波长互相叠加；光电转换单元包括和探测波长相对应的两种光电器件。
[0014] 优选地，A/D模数变换单元具有高精度和快转换速度；信息处理单元包括计算方 法。
[0015] 优选地，自动控制系统包括工业控温装置和显示装置。
[0016] 优选地，自动控温系统的测温精度为1%。，控温范围为700°C?3000°C，测温时间 间隔为50ms。
[0017] 一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的使用方法，包括如下步骤：
[0018] 1)利用自动控温系统双波长交叉法探测钢水的辐射强度；
[0019] 2)建立钢水辐射测温物理模型，计算双波长交叉法所测得的钢水的辐射强度之比 与钢水的温度之间的关系。
[0020] 优选地，钢水辐射测温物理模型包括钢水辐射强度的表达公式、辐射的相关系数A 与B、辐射的相关系数A与B的求解方法和钢水的温度的求解方法，
[0021] 钢水辐射强度的表达公式具体为：
[0022] ψ(λ，T) = AA-5(eBMT-I)-1，
[0023] 或 Ψ (λ，Τ) = Αλ-5e-BMT，
[0024] 其中Ψ ( λ，Τ)是钢水的辐射强度，λ为辐射波长，Τ为钢水的温度，Α、Β为辐射 的相关系数。
[0025] 优选地，辐射的相关系数Α与Β的求解方法包括如下步骤：
[0026] 1)测得钢水在温度?\时，对应辐射波长、入2的辐射强度值ψι(λι，Τι)、 Ψ2(λ2, Τ1);
[0027] 2)测得钢水在温度Τ2时，对应福射波长λ i、λ 2的福射强度值ψ3 ( χ ρ Τ2)、 Ψ4 (入 2，Τ 2);
[0028] 3)将测得的…（入丨，Tj/'Uv TJ 和 ψ3(λι，τ2)/ψ4(λ2, τ2)的比值，代 入钢水辐射强度的表达公式Ψ(λ，Τ) =Αλ-5(eBAT-D-1或ψ(λ，Τ) =Αλ?λτ 中，联立方程,求得辐射的相关系数Α与Β的值。
[0029] 优选地，钢水的温度的求解方法包括如下步骤：
[0030] Α)由辐射的相关系数Α与Β计算出对于辐射波长入i的一系列不同温度下的辐射 强度τ)和对于辐射波长λ2的一系列不同温度下的辐射强度ψ 2(λ2, τ); [0031] Β)由ιΜλρ Τ)/Ψ2(λ2, Τ)的比值得到两种辐射波长测得的辐射强度之比对 应的钢水的温度。
[0032] 优选地，辐射波长与探测波长相对应。
[0033] 本发明提出钢水辐射测温物理模型，是建立在以接收到的钢水辐射强度，与钢水 温度之间关系基础之上的，在转炉的顶部设置非接触测温窗口，控制转炉内条件，通过交叉 的双波长同时探测物体的辐射强度，提出改造的普朗克（planck)辐射表达公式，ψ (λ， Τ)=八入4(6^^1)'在不同的温度下，用双波长同时测量物体的辐射强度得到两个联 立方程，结合改造的普朗克辐射表达公式ψ (λ，Τ) = Αλ-5( e WM-l)-1，就可以得到物体 的福射强度与温度的对应关系。这样就可以通过测量福射强度来测量物体的温度。本发明 通过对黑体辐射的普朗克（planck)公式的两个常数项(；和(： 2进行改造，并对这两个常数 赋予新的物理意义，对新提出来的辐射系数A、B进行标定，来达到精确测量钢水温度的目 的。将测量到的温度值再输入到，可实现多路控制的工业控制系统，实现可适时进行顶吹氧 转炉炼钢自动控温。其中辐射相关系数A、B是随物体的材料、温度和探测波长而变化的表 征系数。这就使黑体辐射理论得到改造和扩展，使其可以在更多领域更好地应用于辐射测 温。
[0034] 本发明的有益效果为：
[0035] 1)本发明控温精度高，控温范围宽，在中高温度段（700--3000°C )精确测量钢 水的温度，测温精度比现有技术提高一个数量级；
[0036] 2)本发明抗粉尘和烟雾干扰，能够显示和存储温度的变化过程，能够在炼钢现场 恶劣的环境下实现温度的自动控制，还可以应用在其他类型的炼钢炉中以及遥测和遥控等 智能化方面，应用领域广泛。

【专利附图】

【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为本发明一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的应用示意图；
[0039]图2为图1所示自动控温系统的结构示意图；
[0040]图3为本发明一种顶吹氧转炉炼钢自动控温方法一个实施例的流程示意图。
[0041]图中：
[0042] 1、吹氧导管；2、钢水液面；3、测温窗口；4、自动控温系统；5、废气收集导管；6、废 气冷却水池；7、废气排出口；8、光学接受系统;9、双色交叉光路；H)、光电转换单元；11、A/D 模数变换单元；12、信息处理单元；13、自动控制系统。

【具体实施方式】
[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044] 实施例1
[0045]如图1和图2所示，本发明一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统，顶吹氧转炉的顶部 设置有吹氧导管1和废气收集导管5,吹氧导管1连通顶吹氧转炉的内外部，位于钢水液面 2的上方，废气收集导管5通过废气冷却水池6与废气排出口 7相通，自动控温系统4依次 包括光学接受系统8、双色交叉光路9、光电转换单元l〇、A/D模数变换单元11、信息处理单 元12和自动控制系统13,顶吹氧转炉的顶部在吹氧导管1和废气收集导管5之间的位置设 置有测温窗口 3,自动控温系统4位于测温窗口 3的正上方。
[0046]光学接受系统8具有高的距离口径的S/D比值；双色交叉光路9包括两种探测波 长互相叠加；光电转换单元10包括和探测波长相对应的两种光电器件。A/D模数变换单元 11具有高精度和快转换速度；信息处理单元12包括计算方法。自动控制系统13包括工业 控温装置和显示装置。
[0047]自动控温系统4的测温精度为1%。，控温范围为700°C?3000°C，测温时间间隔为 50ms 〇
[0048] 本发明光探测作用由光学接受系统8、双色交叉光路9和光电转换单元10完成，光 学接受系统8的作用是接收钢水发出的辐射强度，聚焦在光电转换单元10上，光电转换单 元10的作用是把光信号转变为电压信号。信号采集和转换作用由A/D模数变换单元11和 信息处理单元I2完成，A/D模数变换单元11的作用是主要由适时电压采集电路和高精度 的模拟量/数字量变换电路，信息处理单元12的主要作用是采集光学接受系统8和光电转 换单元10输出的电压信号，并将模拟量的电压信号变换为数字量信号。
[0049]本发明的工作过程如下：光学接受系统8把接收到的光能量分别转换到双色交叉 光路9上，双色交叉光路9的峰值波长分别在910nm和1030nm，由两个光电转换单元10来 接收辐射能量；自动采样钢水辐射强度，将钢水辐射转换成低噪音电压信号的（<1 μ V)，和 变化很大的福射能量动态信号（〇· 2mv?5ν)，输送到A/D模数变换单元11 ;转换成数字量 再送入信息处理单元12,信息处理单元I2根据被测物体的几个标定温度和电压，准确的计 算出被测物体的适时温度，将计算结果输送入自动控制系统I 3,进行适时温度显示和实测 温度的存储，实现工业多路控制装置的温度自动控制。把测得钢水的温度输送至自动控制 系统I 3,通过信号反馈实现多种适时控制，包括吹氧的控制，出钢的控制和远距离遥控等操 作控制。
[0050] 实施例2
[0051] 如图1?3所示，本发明一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的使用方法，包括如下 步骤：
[0052] 1)利用自动控温系统4双波长交叉法探测钢水的辐射强度；
[0053] 2)建立钢水辐射测温物理模型，计算双波长交叉法所测得的钢水的辐射强度之比 与钢水的温度之间的关系。
[0054]钢水辐射测温物理模型包括钢水辐射强度的表达公式、辐射的相关系数A与B、辐 射的相关系数A与B的求解方法和钢水的温度的求解方法。
[0055] 钢水辐射强度的表达公式具体为：
[0056] ψ(λ，Τ) ^Αλ?β^τ-ΙΓ1，
[0057] 或 Ψ (入，Τ) = Αλ-5ε-Β/λΤ，
[0058] 其中Ψ U，Τ)是钢水的辐射强度，λ为辐射波长，τ为钢水的温度，Α、Β为辐射 的相关系数。
[0059] 辐射的相关系数Α与Β的求解方法包括如下步骤：
[0060] 1)测得钢水在温度时，对应辐射波长λ。λ2的辐射强度值'(λ。1\)、 Ψ2(λ2, ?\);
[0061] 2)测得钢水在温度Τ2时，对应辐射波长、入2的辐射强度值Τ 2)、 取4(入2, Τ2);
[0062] 3)将测得的1\)/￥2(入2, TJ和?（入】，τ2)/ψ4(λ2, Τ2)的比值，代 入钢水辐射强度的表达公式Ψ(λ，Τ) =Αλ-5(eWT-：〇_ι或以入，Τ) =Αλ-5e-B/XT 中，联立方程，求得辐射的相关系数Α与Β的值。
[0063] 钢水的温度的求解方法包括如下步骤：
[0064] Α)由辐射的相关系数Α与Β计算出对于辐射波长λ i的一系列不同温度下的辐射 强度ViUi，τ)和对于辐射波长λ2的一系列不同温度下的辐射强度ψ 2(λ2, τ);
[0065] Β)由Τ)/ψ2(λ2, Τ)的比值得到两种辐射波长测得的辐射强度之比对 应的钢水的温度。
[0066] 上述方法中辐射波长与探测波长相对应。
[0067] 自动控温系统4进行双色交叉波长的采样，对应双色交叉波长的光电转换，设置 有高精度和快转换速度的A/D模数变换单元11和信息处理单元12等，以确保实现测温精 度高、控温范围精和适时反应快的目的。双波长交叉的测温方法可以抑制转炉内高温废气 的辐射对测温的干扰。
[0068] 热辐射的短波段有瑞利-金斯（Rely-Jinse)公式I ( λ，T) cj/c2 λ 4,在长波 段有维恩（Wien)公式我揭后来有包括全波段的普朗克（Planck)公式 _，)=_4(#/〃-|1，式中1(入，1')为黑体辐射强度，入为辐射波长，1'为绝对温度， Cl，c2为常数，以上都是黑体的热辐射公式。一般物体和黑体的区别是物体的辐射率大于零， 小于黑体。但物体和黑体都是热辐射体，因此都共同遵守热辐射的规律。辐射强度随温度 与波长呈指数形式变化，辐射强度的峰值随着辐射温度的升高，往短波方向移动。黑体辐射 的公式中c 1;c2二个常数是不变的，因黑体辐射率和吸收率都是L而且不随物体材料的性 质和温度而变化。物体的辐射率和吸收率是随物体材料的性质和温度而变的。
[0069] 本发明辐射相关系数的A、B的物理意义是表征辐射率在〇和1之间的变化，辐射 相关的系数A、B决定了辐射率随灰体的材料、温度和波长而变化的情况，而且这两个参数 是相关的。
[0070] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统，其特征在于，所述顶吹氧转炉的顶部设置有吹 氧导管（1)和废气收集导管（5)，所述吹氧导管（1)连通所述顶吹氧转炉的内外部，位于钢 水液面（2)的上方，所述废气收集导管（5)通过废气冷却水池（6)与废气排出口（7)相通， 所述自动控温系统（4)依次包括光学接受系统（8)、双色交叉光路（9)、光电转换单元（10)、 A/D模数变换单元（11)、信息处理单元（12)和自动控制系统（13)，所述顶吹氧转炉的顶部 在所述吹氧导管（1)和所述废气收集导管（5)之间的位置设置有测温窗口（3)，所述自动控 温系统（4)位于所述测温窗口（3)的正上方。
2. 根据权利要求1所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统，其特征在于，所述光学 接受系统（8)具有高的距离口径的S/D比值；所述双色交叉光路（9)包括两种探测波长互 相叠加；所述光电转换单元（10)包括和所述探测波长相对应的两种光电器件。
3. 根据权利要求1所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统，其特征在于，所述A/D模 数变换单元（11)具有高精度和快转换速度；所述信息处理单元（12)包括计算方法。
4. 根据权利要求1所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统，其特征在于，所述自动 控制系统（13)包括工业控温装置和显示装置。
5. 根据权利要求1?4任一项所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统，其特征在 于，所述自动控温系统（4)的测温精度为1%。，控温范围为700°C?3000°C，测温时间间隔为 50ms 〇
6. -种如权利要求5所述的顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的使用方法，其特征在于， 包括如下步骤： 1) 利用自动控温系统（4)双波长交叉法探测钢水的辐射强度； 2) 建立钢水辐射测温物理模型，计算所述双波长交叉法所测得的所述钢水的辐射强度 之比与所述钢水的温度之间的关系。
7. 根据权利要求6所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的使用方法，其特征在 于，所述钢水辐射测温物理模型包括钢水辐射强度的表达公式、辐射的相关系数A与B、所 述辐射的相关系数A与B的求解方法和所述钢水的温度的求解方法， 所述钢水辐射强度的表达公式具体为： ψ (λ，T) = Αλ-5( e^T-l)-1， 或 ψ (λ，T) = Αλ?/λτ， 其中ψ ( λ，Τ )是所述钢水的辐射强度，λ为辐射波长，Τ为所述钢水的温度，A、Β为 所述辐射的相关系数。
8. 根据权利要求7所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的使用方法，其特征在 于，所述辐射的相关系数Α与Β的求解方法包括如下步骤： 1) 测得所述钢水在温度1\时，对应所述辐射波长λρλ2的辐射强度值^(λρ?^)、 Ψ2(λ2, ?\); 2) 测得所述钢水在温度1~2时，对应所述辐射波长λρλ2的辐射强度值ψ^λρ?%)、 Ψ 4 (入 2，Τ 2); 3) 将测得的ιΜλρ ?\)和…（入丨，Τ2)/ψ4(λ2, Τ2)的比值，代入所 述钢水辐射强度的表达公式Ψ(λ，T) =AX_5(eBAT-l)_1或ψ(λ，T) =AX_5e_BAT 中，联立方程，求得所述辐射的相关系数A与B的值。
9. 根据权利要求8所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的使用方法，其特征在 于，所述钢水的温度的求解方法包括如下步骤： A)由所述辐射的相关系数A与B计算出对于所述辐射波长λ ^勺一系列不同温度下的 辐射强度Τ)和对于所述辐射波长λ2的一系列不同温度下的辐射强度ψ2(λ2， Τ)； Β)由Τ)/ψ2(λ2, Τ)的比值得到两种所述辐射波长测得的辐射强度之比对 应的所述钢水的温度。
10. 根据权利要求9所述的一种顶吹氧转炉炼钢自动控温系统的使用方法，其特征在 于，所述辐射波长与探测波长相对应。
【文档编号】C21C5/32GK104232832SQ201410415465
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】田乃良, 徐光宇 申请人:田乃良, 徐光宇